生物計(jì)算機(jī)里面，養(yǎng)著啥生物

一般來說，當(dāng)我們不知道一個(gè)名詞的意思時(shí)，會(huì)自動(dòng)地把手伸向計(jì)算機(jī)鍵盤，打開搜索引擎瀏覽一番。但是對(duì)于生物計(jì)算機(jī)這個(gè)詞條，總覺得搜索到的名詞解釋仍然令人一頭霧水。機(jī)器和生命總是在科幻小說和電影中被設(shè)定為一對(duì)矛盾的事物，它們是怎樣摒棄前嫌組合到一起的呢？既然要由生物來完成計(jì)算，里面究竟是哪種生物？聰明的細(xì)菌還是浸泡在藥水中的、插滿電極的大腦？而且，只要是生物就會(huì)有死亡，要是計(jì)算機(jī)中某一環(huán)節(jié)的生物死了，計(jì)算機(jī)不是就“死機(jī)”了？里面儲(chǔ)存的信息會(huì)不會(huì)隨著一起消失？

一個(gè)微微顫動(dòng)的大腦泡在大罐子里，上面接滿了線或許是很多人對(duì)于生物計(jì)算機(jī)最本能的想象了。不過這種想象和真實(shí)之間的距離有點(diǎn)遠(yuǎn)。

生物計(jì)算機(jī)里，其實(shí)沒有任何活著的生物或者器官，有的只是一些在生物體內(nèi)能夠找到的材料而已；它們只是一些分子，并沒有活與死的區(qū)別。電子計(jì)算機(jī)是以電流來傳遞信號(hào)的，而在生物計(jì)算機(jī)中，傳遞信號(hào)的則是不同的分子——生物計(jì)算機(jī)其實(shí)應(yīng)該叫做DNA計(jì)算機(jī)或者生物分子計(jì)算機(jī)，它是由DNA（脫氧核糖核酸）、RNA（核糖核酸）和蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的分子自動(dòng)機(jī)。它和今天我們使用的電子計(jì)算機(jī)十分不同，不過這兩者之間卻還是有些微妙的相似之處。

這還得從60多年前說起。1948年，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的奠基者之一、美籍匈牙利人約翰·馮·諾依曼（1903-1957）在加利福尼亞州帕薩迪納做了系列演講，提出了關(guān)于“自動(dòng)復(fù)制機(jī)器”的設(shè)想。他認(rèn)為任何能夠自我繁殖的系統(tǒng)，都應(yīng)該同時(shí)具有兩個(gè)基本功能：能夠構(gòu)建某一個(gè)組成元素和結(jié)構(gòu)與自己一致的下一代，以及能夠把對(duì)自身的描述傳遞給下一代。馮·諾依曼把這兩個(gè)部分分別叫做“通用構(gòu)造器”和“描述器”，而描述器又包括了一個(gè)“通用機(jī)”和保存在通用機(jī)能夠讀取的介質(zhì)上的描述信息。這樣，只要有合適的原料，通用構(gòu)造器就可以根據(jù)描述器的指示，生產(chǎn)出下一臺(tái)機(jī)器，并且把描述的信息也傳遞給這臺(tái)新機(jī)器。隨后，新機(jī)器啟動(dòng)，再進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。 五年之后，詹姆斯·沃森（1928-）和弗朗西斯·克里克（1916-2004）發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，人們才意識(shí)到大部分生物的遺傳物質(zhì)DNA就具備馮·諾依曼所提出的兩個(gè)要求。

DNA很像是計(jì)算機(jī)的硬盤或者馮·諾依曼那個(gè)時(shí)代的磁帶存儲(chǔ)器，通過四種堿基不同順序的編碼，存儲(chǔ)了生物所有的遺傳信息，它本身就是一個(gè)描述器。這也就意味著，理論上我們可以使用四種堿基的組合來編碼信息，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算操作。我們知道，DNA由G（鳥嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）四種堿基構(gòu)成，共同構(gòu)成了相互纏繞的雙鏈階梯狀的雙螺旋結(jié)構(gòu)。如果一條單鏈上某個(gè)位置的堿基是腺嘌呤A的話，另一條單鏈的對(duì)應(yīng)位置上則必然是胸腺嘧啶T；鳥嘌呤G和胞嘧啶C也存在同樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種方式很安全——如果一條DNA單鏈因?yàn)槟撤N原因而被破壞，還可以根據(jù)另一條單鏈上對(duì)應(yīng)位置的堿基把它補(bǔ)全，就像硬盤的鏡像備份一樣。

雖然理論上來說，DNA分子可以用來構(gòu)建計(jì)算機(jī)，但是真正實(shí)現(xiàn)則要到上世紀(jì)90年代。那時(shí)，南加州大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家倫納德·阿德曼（1945-）偶然看到了詹姆斯·沃森那本著名的《基因的分子生物學(xué)》：“我躺在床上讀這本書時(shí)，忽然意識(shí)到，互補(bǔ)的堿基和聚合酶的這種工作模式可以用來計(jì)算。”

1994年，阿德曼提出了用DNA計(jì)算的方式解決七頂點(diǎn)旅行商問題的方案（旅行商問題也叫漢密爾頓路徑問題，要求在多個(gè)頂點(diǎn)之間尋找出一條最短路徑，經(jīng)過所有頂點(diǎn)，但是每個(gè)頂點(diǎn)只能經(jīng)過一次）。對(duì)于電子計(jì)算機(jī)來說，要解決這種問題需要先找到所有的可能路徑，再對(duì)其分別比較以選出最短路徑來。阿德曼的DNA計(jì)算機(jī)也使用了類似的方式，不過它的運(yùn)算速度要比電子計(jì)算機(jī)快得多——但是，挑選出結(jié)果卻要慢得多。首先，他用不同堿基的組合分子定義出每個(gè)頂點(diǎn)和每?jī)蓚€(gè)頂點(diǎn)之間的路徑，其中路徑的編碼剛好和兩個(gè)頂點(diǎn)的編碼互補(bǔ)；再把這些分子和合適的酶放進(jìn)試管，讓它們自由組合。只需要幾秒鐘，分子們就已經(jīng)組合出了答案，只不過正確答案和所有的錯(cuò)誤答案都混在一起而已。接下來，阿德曼花了七天時(shí)間把正確答案挑選出來。他用電泳技術(shù)先把長(zhǎng)度符合答案的DNA鏈分揀出來，再用親和力萃取技術(shù)選出所有包含第一個(gè)頂點(diǎn)的DNA鏈，再?gòu)闹蟹殖鐾瑫r(shí)包含第二個(gè)頂點(diǎn)的DNA，以此類推。在經(jīng)過七次萃取之后，他獲得了同時(shí)包含七個(gè)頂點(diǎn)的DNA鏈，以及連接這七個(gè)頂點(diǎn)的八條線路。這次在試管里進(jìn)行的生物計(jì)算，獲得了數(shù)學(xué)問題的答案。雖然它的效率很低，但是這畢竟證明了DNA計(jì)算并不僅僅是紙面上的設(shè)想。阿德曼的成功，掀起了DNA計(jì)算的熱潮。1997年，美國(guó)羅切斯特大學(xué)的研究者安尼麥?zhǔn)贰だ祝?958-）和荻原光德（1963-）用DNA分子實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的基本器件邏輯門，讓傳統(tǒng)的布爾邏輯運(yùn)算成為可能。但是只有邏輯門并不意味著可以制造出計(jì)算機(jī)，就像掌握了燒磚的技術(shù)并不意味著能夠建造起摩天大樓一樣。科學(xué)家們還在繼續(xù)摸索。

在進(jìn)入21世紀(jì)之后，DNA計(jì)算的熱點(diǎn)主要集中到自組裝相關(guān)計(jì)算和體內(nèi)DNA計(jì)算上來。這些研究方向?qū)⒖赡軙?huì)造就納米尺度上的計(jì)算元件，也可能會(huì)制造出針對(duì)性很強(qiáng)的新型檢測(cè)方法和藥物。相關(guān)的研究成果層出不窮，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有能夠達(dá)到可以實(shí)際應(yīng)用的程度。2012年6月，美國(guó)加州理工學(xué)院的研究者制造出了由74個(gè)DNA分子組成的生化電路，可以計(jì)算一個(gè)小于15的整數(shù)的平方根。這是迄今為止最復(fù)雜的DNA計(jì)算裝置，但是它依然比任何一個(gè)單細(xì)胞生物都要小得多。人們現(xiàn)在努力的方向之一，是把DNA計(jì)算移植到芯片上進(jìn)行，當(dāng)然其主角依然是那些納米級(jí)尺寸的DNA分子。也許這種計(jì)算設(shè)備會(huì)被叫做“生物計(jì)算芯片”，而當(dāng)它上市的時(shí)候我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它里面依然沒有什么我們一般概念上的生物：沒有植物、沒有動(dòng)物，連細(xì)菌都沒有。所以，不用擔(dān)心生物計(jì)算機(jī)里面的生物；它們不會(huì)死掉的。